實測寬帶陣列流形快速獲取方法

郭 濤, 吳亞軍

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實測寬帶陣列流形快速獲取方法

郭 濤, 吳亞軍

(駐西安東風儀表廠軍代室, 陜西 西安, 710075)

針對傳統(tǒng)陣列流形獲取方法在寬帶陣列流形獲取中測試時間長和信號處理復雜的缺點, 提出了基于快速傅里葉變換（FFT）的實測寬帶陣列流形的快速獲取技術, 該技術結合實際水下聲接收基陣, 由測量數(shù)據(jù)得到實測陣列流形, 進而利用此實測陣列流形進行波束形成, 并通過仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)對比研究了該方法的可行性和有效性。與傳統(tǒng)實測陣列流形的獲取方法相比, 該方法具有測量快速、運算簡單等特點。試驗結果表明, 該方法對于寬帶聲學基陣的波束優(yōu)化和實測流形具有重要的工程應用價值。

寬帶陣列; 聲學基陣; 快速傅立葉變換; 信號處理; 波束優(yōu)化; 陣列流形

0 引言

鑒于寬帶信號具有目標回波攜帶的信息量大及混響背景相關性弱而有利于目標檢測、參量估計和目標特征提取等特點, 寬頻帶成為提高魚雷自導系統(tǒng)性能的一個重要技術途徑和熱點問題。

眾所周知, 在實際水下聲接收系統(tǒng)中, 由于陣列的設計、生產(chǎn)以及安裝等原因使得實際陣列流型與理想陣列流型失配。對于一些特殊的陣列如體積陣, 對某些陣元存在的遮蔽會加劇實際陣列流形與理想陣列流形的失配。這時如果采用理想陣列流形設計波束會引起實際波束的旁瓣升高、主瓣畸變。本文針對實測陣列流形的獲取, 提出了一種基于快速傅立葉變換(fast Fourier trans- form, FFT)的寬帶陣列流形的快速獲取技術。

該技術結合實際水下聲接收基陣, 由測量數(shù)據(jù)得到實測陣列流形, 進而利用此實測陣列流形進行波束形成。

1 理想陣列流形的獲取

一般地, 在感興趣的方位空間上, 所有的陣列響應向量的集合定義為陣列流形, 即

由式(1)可知, 在根據(jù)陣元位置計算陣列流形時, 關鍵是求出各陣元接收到的信號相對于參考點的時間延遲?？紤]由個傳感器在空間任意排列組成的陣列, 接收遠場中點的信號, 分別用和表示源點的方位角和俯仰角, 如圖1所示。

圖1 空間任意陣接收信號示意圖

用表示第號陣元的位置, 則[x,y,z]。假設選取第0號陣元的位置0為參考點, 那么, 當遠場信號從(,)方向入射時,號陣元接收到的信號相對于參考點的時延為

其中

式中:為聲速;表示(,)方向的方向向量。

將式(2)代入式(1), 即可得陣列對(,)方向入射的信號的響應向量。若各陣元對(,)方向入射的信號的靈敏度相同, 均記為1, 則

2 實測陣列流形的獲取

2.1 傳統(tǒng)窄帶實測流形獲取方法

為了得到水下聲接收基陣的實測陣列流形對各個陣元的輸出變換見圖2所示。

圖2 陣列流形獲取

設陣元接收的窄帶信號經(jīng)A/D轉換為離散信號序列

式中:是信號的數(shù)字頻率,且=f/f,f為信號的頻率,f為采樣頻率。把()乘以同頻復指數(shù)信號后, 得

則

當2為整數(shù)時, 式(8)右邊第2項為零, 則該式可簡化為

這就得到了信號()的幅度和相位。所以在選擇信號長度時, 應使得2為整數(shù)。

各個陣元的輸出經(jīng)過上述處理后, 就得到了試驗基陣對從某個方向來的窄帶信號的響應向量。對各個不同方向的響應向量的集合, 構成了試驗基陣的實測陣列流形。至于應該在多少個方向上測量基陣的響應向量, 則應視具體情況而定, 其選取主要是依據(jù)聲納系統(tǒng)要求的測向精度而定。為了減小噪聲、隨機測量誤差和隨機干擾等隨機誤差的影響, 可以利用多次測量數(shù)據(jù)來平均得到實測陣列流形[1]。

2.2 改進的寬帶實測流形獲取方法

與寬帶陣列信號處理方法相比, 傳統(tǒng)的窄帶實測流形獲取方法在處理寬帶信號時存在一些問題, 如處理和測試時間長, 處理算法過于復雜, 需要對接收到的信號進行逐個頻率點的分段等。對此, 本文提出了一種基于FFT算法的實測陣列流形快速獲取技術, 其處理框圖如圖3所示。

圖3 寬帶陣列流形快速獲取

圖3中,為截取的單頻信號信號長度,為FFT的點數(shù),0為FFT后選取的頻率點對應的位置。一般情況下,0=×f/F,=, 所以在選擇單頻信號信號長度時應使每一個0都可以得到整數(shù)0。

該方法主要實現(xiàn)步驟如下：

1) 接收有信號源發(fā)出的需要測量的頻率點的單頻正弦波(continuous wave, CW)信號脈沖串, 其中頻率的選擇根據(jù)測試精度決定;

2) 用被測陣接收CW信號脈沖串, 進行信號分段, 并對其做FFT運算, 得到信號的頻域輸出; 3) 根據(jù)選取的頻率點計算對應的0, 求出該基陣在各個頻率點的歸一化幅度響應和相位響應, 然后得到該方位的陣列流形為exp()。

其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率一般選擇所有觀測頻率點的整數(shù)倍, 數(shù)據(jù)觀測長度一般選擇系統(tǒng)的采樣頻率的整數(shù)倍。

3 寬帶實測陣列流形獲取的試驗研究

試驗布局如圖4。系統(tǒng)工作頻率為19~33 kHz, 在試驗中, 每1 kHz發(fā)射一個CW脈沖, 其脈沖寬度為2 ms, 脈沖間隔為8 ms, 基陣的接受通道數(shù)為26, 基陣0°方位時接收到的脈沖信號如圖5所示。

圖4 試驗系統(tǒng)結構

圖6和圖7分別給出了在0°方位和25°方位上采用上述方法得到的實測陣列流形形成的常規(guī)波束圖[2-3]。

圖8給出了在25 kHz時, 0°方位的理論和實測流形常規(guī)波束圖比較。其中, 實線代表實測流形獲得的波束圖, 虛線代表理論流形獲得的波束圖。由圖中可以看出, 采用上述實測陣列流形快速獲取技術得到的實測流形是準確可行的。

圖5 基陣0°方位時接收到的脈沖信號

圖6 各頻率點0°方位常規(guī)波束圖

圖7 各頻率點25°方位常規(guī)波束圖

圖8 25 kHz 0°方位處理論流形和實測流形波束圖對比

4 結束語

本文根據(jù)寬帶信號具有利于目標檢測、參量估計和目標特征提取等特點, 針對實測陣列流形的獲取提出了一種基于FFT變換的寬帶陣列流形的快速獲取技術。與傳統(tǒng)實測陣列流形的獲取方法相比, 其具有測量快速、運算簡單等特點。試驗結果表明, 該技術對于寬帶聲學基陣的波束優(yōu)化和實測流形具有重要的工程應用價值。

[1] 練永慶, 王樹宗,馬士杰, 等. 斜盤式氣動發(fā)動機動力學仿真[J]. 機械工程學報, 2008, 44(1): 243-248.

Lian Yong-qing, Wang Shu-zong, Ma Shijie,et at. Dynamic Simulation of the Air-powered Swashplate Engine[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(1): 243-248.

[2] 郭祺麗. 聲納基陣寬帶波束優(yōu)化設計[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2005.

Guo Qi-li. Broadband Beamforming Optimization of Sonar Arrays[D]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University, 2005.

[3] 石磊. 魚雷寬帶共形陣接收波束形成技術研究[D]. 西安: 第705研究所, 2006.

Shi Lei. The Research of Beamforming for the Conformal Array of Torpedo[D]. Xi′an:The 705 Research Institute, 2006.

[4] 石磊, 郝保安, 王明洲. 魚雷共形陣自適應寬帶恒定束寬波束形成研究[J]. 魚雷技術, 2006, 14(2): 30-33.

Shi Lei, Hao Bao-an, Wang Ming-zhou.The Research of Broadband Constant Beamwidth Beamforming by Using Adaptive Processing for the Conformal Array of Torpedo[J]. Torpedo Technology, 2006, 14(2): 30-33.

A Method for Quickly Acquiring Maniflod of Measured Broadband Array

GUO Tao, WU Ya-jun

(Military Representative Office Stationed in Xi′an Dongfeng Instrument Factory, Xi′an 710065, China)

A rapid acquirement method of measured broadband array based on fast Fourier transform (FFT) is proposed to shorten the measurement time and simplify the signal processing during the acquirement period. Combining underwater receiving acoustic array, broadband array manifold is obtained from measured data, and beamforming is hence completed by using the array manifold. Comparison of measured data and simulation data verifies the feasibility and effectiveness of the method. Experimental results show that this method has the advantages of faster measurement and simpler calculation than the conventional method, and can be applied to beam optimization and manifold measurement of broadband acoustic array.

broadband array; acoustic array; fast Fourier transform (FFT); signal processing; beam optimization; array manifold

TJ630.34; TN911.23

A

1673-1948(2011)04-0268-03

2010-11-05;

2010-12-25.

郭 濤(1971-), 男, 碩士, 研究方向為魚雷總體技術.

(責任編輯: 楊力軍)